箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)及其應用
【專利摘要】本發(fā)明公開的箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)，包括有過程層、間隔層及站控層；過程層內設有箱式變電站在線監(jiān)測終端，箱式變電站在線監(jiān)測終端與有線測溫模塊測溫點連接，箱式變電站在線監(jiān)測終端還無線個域網(wǎng)與無線測溫模塊測溫點連接；間隔層內設置有箱式變電站在線監(jiān)測IED，箱式變電站在線監(jiān)測IED與箱式變電站在線監(jiān)測終端連接；站控層內設置有站端監(jiān)測單元，站端監(jiān)測單元與箱式變電站在線監(jiān)測IED連接；本發(fā)明還公開了箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)的應用方法。本發(fā)明箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)及其應用，不僅能在線監(jiān)測觸點溫度的變化，還能精確定位出現(xiàn)故障或存在隱患的觸點。
【專利說明】
箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)及其應用
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)安全監(jiān)測裝置及方法技術領域，具體設及一種箱式變電站載 流故障預測系統(tǒng)，本發(fā)明還設及利用上述箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)對箱式變電站載流 故障進行預測的方法。
【背景技術】
[0002] 箱式變電站是一種集高壓開關設備、配電變壓器和低壓配電裝置于一體，按照一 定的接線方案連接而成，應用于配電網(wǎng)的配電設備?；谄湔嫉孛娣e小、移動方便及建設周 期短的優(yōu)點，自問世W來就在配電網(wǎng)中得到迅速應用，一般適用于住宅小區(qū)、城市公用場 所、繁華鬧市及施工電源等。隨著國家智能電網(wǎng)建設規(guī)劃的實施，箱式變電站故障監(jiān)測顯得 尤為重要，對電力系統(tǒng)安全運行具有重要意義。
[0003] 載流故障是電力設備故障中比較常見的一種熱故障，究其原因主要是因為電力設 備連接件、接頭或觸頭連接不良或氧化使接觸電阻增大，繼而引起觸點過熱、燒融甚至短 路，從而成為電力設備的主要故障之一。很多場合無法或不便獲得相關觸點的負載電流，而 溫度采樣值成為電力設備故障預警的有效依據(jù)。因此，通過監(jiān)測觸點的溫度變化來對載流 故障進行預警，對于防止事故擴大、保障電網(wǎng)的安全運行具有重要意義。
[0004] 近年來，關于載流故障的研究已有許多，但是現(xiàn)有的載流故障預測主要存在W下 缺點：（1)載流故障分為長期故障與即時故障，但現(xiàn)有的載流故障預測方案都僅僅對其中一 種故障進行預測，沒有做到全面預測；（2)與監(jiān)控后臺之間的通信采用私有協(xié)議或者非通用 協(xié)議，導致設備之間的互操作不強；（3) W往監(jiān)測方法往往根據(jù)固定闊值確定出故障點，但 電力設備采集信號在傳送過程中易受到干擾，產(chǎn)生奇異點，從而導致故障點確定不準確。
[0005] 針對現(xiàn)有載流故障存在的問題，在過程層原有一次設備的基礎上加入了相應的智 能監(jiān)控裝置，W實時監(jiān)測箱式變電站的運行情況;在數(shù)據(jù)處理方面，可借助組合權重相似日 法W及溫升模型完成載流故障預測，并基于概率密度估計的方法W及空間相關性分析法完 成故障點的確定；與間隔層之間的通信也變成更為可靠且高速的光纖W太網(wǎng)，并擴展了 WiFi無線通信方式，同時整個變電站相關協(xié)議也采用更為完善、更為標準的國際變電站標 準協(xié)議IEC61850。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)，將智能電網(wǎng)技術及物 聯(lián)網(wǎng)技術運用于載流故障預測，通過引進相應的智能監(jiān)控、可靠的通信方式、完善的通信協(xié) 議及高速的數(shù)據(jù)處理方法，使該預測系統(tǒng)不僅能在線監(jiān)測觸點溫度的變化，還能精確定位 出現(xiàn)故障或存在隱患的觸點。
[0007] 本發(fā)明的另一目的在于提供利用上述箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)對箱式變電 站載流故障進行預測的方法。
[000引本發(fā)明所采用的第一種技術方案是，箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)，包括有過程 層、間隔層及站控層;過程層內設置有箱式變電站在線監(jiān)測終端，箱式變電站在線監(jiān)測終端 通過RS485總線與有線測溫模塊測溫點連接，箱式變電站在線監(jiān)測終端還通過Zigbee無線 個域網(wǎng)與無線測溫模塊測溫點連接;間隔層內設置有箱式變電站在線監(jiān)測IED，箱式變電站 在線監(jiān)測I抓通過RS485總線與箱式變電站在線監(jiān)測終端連接;站控層內設置有站端監(jiān)測單 元，站端監(jiān)測單元通過光纖W太網(wǎng)與箱式變電站在線監(jiān)測I邸連接。
[0009] 本發(fā)明第一種技術方案的特點還在于：
[0010] 箱式變電站在線監(jiān)測終端，包括有微處理器，微處理器分別通過導線與供電模塊、 溫度傳感器連接，溫度傳感器位于有線測溫模塊測溫點處，溫度傳感器用于測量有線測溫 模塊測溫點處高壓室、低壓室及變壓室的溫度;微處理器通過SPI與無線射頻忍片連接，無 線射頻忍片通過Zigbee無線個域網(wǎng)與無線測溫系統(tǒng)連接，無線測溫系統(tǒng)位于無線測溫模塊 測溫點處，無線測溫系統(tǒng)測量無線測溫模塊測溫點處高壓開關柜、刀閩、電力電纜及母線的 溫度;微處理器還通過RS485總線與間隔層內的箱式變電站在線監(jiān)測I邸連接；
[00川箱式變電站在線監(jiān)測I抓，包括有通過SPI連接在一起的主CPU和從CPU;主CPU分別 連接人機交互模塊、指示燈、按鍵、通信模塊及服務器;從CPU通過RS485總線與溫度傳感器 連接，從CPU還通過Zigbee無線個域網(wǎng)與無線測溫系統(tǒng)連接。
[0012]供電模塊采用電池與互感取電聯(lián)合式供電單元，其結構為:包括有與微處理器內 電源連接的DC/DC轉換器，DC/DC轉換器分別連接電池充放電模塊、降壓模塊;降壓模塊分別 與過壓過流監(jiān)測模塊、整流濾波模塊連接;整流濾波模塊依次連接前端沖擊保護模塊、電流 互感器;微處理器內采用STM32F030忍片;無線射頻忍片采用NRF2化01無線射頻忍片。
[001引主CPU內采用S3C2440A忍片;從CPU內采用STM32F407ZGT6忍片。
[0014] 通信模塊內設置有3G通信模塊、W太網(wǎng)通信模塊及RS485/RS232通信模塊；W太網(wǎng) 通信模塊在基于TCP^P參考模型的基礎上嵌入了 IEC61850協(xié)議。
[0015] 無線測溫系統(tǒng)由多個無線測溫模塊組構成;每個無線測溫模塊組由六個無線測溫 模塊構成;每個無線測溫模塊內設置有STM32F030忍片和NRF2化01無線射頻忍片。
[0016] 本發(fā)明所采用的第二種技術方案是，利用箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)對箱式變 電站載流故障進行預測的方法，該方法基于箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)，具體按照W下 步驟實施：
[0017] 步驟1、由設置于遠程監(jiān)控中屯、內設置的服務器在IEC61850協(xié)議下讀取ICD配置文 件;待讀取完成之后，由箱式變電站在線監(jiān)測KD內的主CP閑尋數(shù)據(jù)采集命令送到從CPU,然 后主CPU等待SPI接收中斷到來；
[001引步驟2、待步驟1完成后，箱式變電站在線監(jiān)測I邸內的從CPU接收到主CPU發(fā)送的數(shù) 據(jù)采集命令，由從CPU對接收到的數(shù)據(jù)采集命令進行解析；
[0019] 步驟3、待步驟2完成后，由從CPU完成溫度信號數(shù)據(jù)預處理及溫度模型的建立，并 通過SPI方式將信息長傳至主CPU;
[0020] 步驟4、待步驟3完成后，按照變電站國際統(tǒng)一標準協(xié)議IEC61850對主CPU中的數(shù)據(jù) 進行數(shù)據(jù)建模，并借助光纖W太網(wǎng)將主CPU內封裝好的數(shù)據(jù)發(fā)送給站端監(jiān)測單元，完成對箱 式變電站載流故障的預測。
[0021] 本發(fā)明第二種技術方案的特點還在于：
[0022] 步驟2中CPU對接收到的數(shù)據(jù)采集命令進行解析的方法具體如下：
[0023] 若是開出量控制，為了保證開出量能正確輸出，要再次判斷開入量；
[0024] 若最終判斷開出量沒有正確輸出，則啟動重合閩或者直接發(fā)出報警信號，反之等 待下一次命令的到來：
[0025] 若是采集命令，待數(shù)據(jù)采集命令解析正確后，向箱式變電站在線監(jiān)測終端發(fā)送數(shù) 據(jù)采集命令，并通過RS485方式接收箱式變電站在線監(jiān)測終端的溫度數(shù)據(jù)。
[0026] 由從CPU完成溫度信號數(shù)據(jù)預處理及溫度模型的建立，具體方法如下：
[0027] 步驟a、采用W貝塔分布為核屯、的概率密度估計算法消除采集測量、傳輸、轉換各 個環(huán)節(jié)的奇異點數(shù)據(jù)；
[0028] 步驟b、經(jīng)步驟a后，采用橫向對比與縱向對比分析相結合的空間相關性分析法確 定出故障點；
[0029] 步驟C、經(jīng)步驟b后，采用組合權重相似日法完成溫度快速上升的長期故障預測，觸 點熱傳學溫升模型與一階熱路模型相結合的方法完成溫度緩慢波動的即時故障預測。
[0030] 步驟C具體按照W下方法實施：
[0031] 長期故障與即時故障通過Δ區(qū)分，Δ值取決于設備類型和負載特點，由實驗方法 取得；
[0032] 對于長期故障，將電力負荷分為基本負荷預測部分和隨機因素預測兩部分；
[0033] 對于基本負荷部分：
[0034] 首先，求出待預測日的相似日，通過某種函數(shù)證明與預測日最有可能相關的若干 日，在相似日的選擇因素中主要考慮了日類型、氣象和日期差Ξ個因素；
[0035] 接著，根據(jù)賭權法將相似日賦予不同權重；
[0036] 最后，代入權重為常量、各整點時刻溫度為自變量的式子中，求出預測溫度；
[0037] 對于隨機因素部分:采用加權擬合直線方法進行預測，而該方法僅僅用于晚間六 點到九點運個時間段；
[0038] 對于即時故障：故障觸點看作集總熱容系統(tǒng)，即溫度僅僅實際時間的函數(shù)而與空 間位置坐標無關，由熱力學第一定律得物體內能增加量=物體導入凈熱流量+物體內熱源， 得：
[0039]
[0040] 式中，Q為整個邊界面?zhèn)魅胗|點的熱流量，Qv為內熱源產(chǎn)生的熱量，P為物體密度，C 為物體比熱容，V為物體體積；
[0041] 最終得到如下公式：
[0042]
[0043] 式中，to為故障觸點的初始溫度，tf為環(huán)境溫度，I為載流觸點處的電流，R為觸點電 阻，τ是時間常數(shù)，α為換熱系數(shù)，A為觸點表面積；
[0044] 將熱路模型等效為一階熱路模型，由響應的初始狀態(tài)、時間常數(shù)及最終狀態(tài)，通過 與電路中一階電路全響應對應可得，任何時刻的響應量具體如下：
[0045] 0xt =白（〇〇) + (白(〇+)-白（〇〇))e_t/T;
[0046] 式中，θ (0+)為觸點熱源區(qū)初始溫度，θ (cx〇為觸點最終溫度.
[0047] 采用觸點熱傳學溫升模型W及一階熱路模型相結合的方法求取溫度，具體做法 為:上一采樣周期溫度集合中最后一個元素基于觸點熱傳學模型的參數(shù)數(shù)據(jù)作為熱路模型 的初始數(shù)據(jù)，不同周期依次循環(huán)。
[004引本發(fā)明的有益效果在于：
[0049] (1)本發(fā)明箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)，將電力設備觸點溫度與載流故障聯(lián)系 起來，并通過相應的監(jiān)控及數(shù)據(jù)處理算法完成信號的采集及處理，使該預測系統(tǒng)能提前預 測載流故障發(fā)展的整體趨勢，對電力系統(tǒng)的安全運行具有重要意義。
[0050] (2)在本發(fā)明箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)中，箱式變電站在線監(jiān)測IED內采用了 基于S3C2440A+STM32F407ZGT6的雙CPU結構，使其具有高效、快速的數(shù)據(jù)處理能力及實時監(jiān) 控能力;箱式變電站在線監(jiān)測im)能將所有的數(shù)據(jù)遵循IEC61850協(xié)議，通過光纖W太網(wǎng)傳輸 到站控層內的站端監(jiān)測單元中，解決了不同生產(chǎn)設備之間因通信協(xié)議不一致而導致互操作 性不友好的問題。
[0051] (3)本發(fā)明箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)，在光纖通信方式基礎上擴展了大功率 WiFi通信功能，使整個系統(tǒng)具有高覆蓋性及傳輸速度快的特點，而且也加長了它的有效距 離。
[0052] (4)本發(fā)明箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)連接有服務器，能將智能箱式變電站電 力設備的所有溫度信息實時存入站控層內的站端監(jiān)測單元內的數(shù)據(jù)庫中，建立相應的信息 數(shù)據(jù)庫。
[0053] (5)本發(fā)明箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)在應用中，使用了基于概率密度估計的 方法W及空間相關性分析法完成數(shù)據(jù)信號的預處理，使其能準確地定出故障隱患點；運用 組合權重相似日法實現(xiàn)對溫度緩慢上升的長期故障預測;基于熱傳學與一階熱路模型建立 觸點溫升模型完成對溫度快速上升的即時故障預測，從而實現(xiàn)了載流故障的全面預測。
【附圖說明】
[0054] 圖1是本發(fā)明箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)的結構示意圖；
[0055] 圖2是本發(fā)明箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)內箱式變電站在線監(jiān)測終端的結構示 意圖；
[0056] 圖3是本發(fā)明箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)內箱式變電站在線監(jiān)測IED的結構示 意圖；
[0057] 圖4是本發(fā)明箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)內設及的IEC61850協(xié)議建模的示意 圖；
[0058] 圖5是利用本發(fā)明箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)對箱式變電站載流故障進行預測 的流程圖；
[0059] 圖6是本發(fā)明箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)內設及的觸點熱傳導模型的結構示意 圖。
[0060] 圖中，1.箱式變電站在線監(jiān)測終端，2.箱式變電站在線監(jiān)測IED，3.站端監(jiān)測單元， 4.微處理器，5.無線射頻忍片，6.供電模塊，7.有線測溫模塊測溫點，8.無線測溫模塊測溫 點，9.溫度傳感器，10.無線測溫系統(tǒng)，11.主CPU，12.從CPU，13.人機交互模塊，14.指示燈， 15 .按鍵，16 .通信模塊，17 .服務器，18. DC/DC轉換器，19 .電池充放電模塊，20 .降壓模塊， 21.過壓過流監(jiān)測模塊，22.整流濾波模塊，23.前端沖擊保護模塊，24.電流互感器。
【具體實施方式】
[0061 ]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細說明。
[0062] 本發(fā)明箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)，如圖1所示，包括有過程層、間隔層及站控 層;過程層內設置有箱式變電站在線監(jiān)測終端1，箱式變電站在線監(jiān)測終端1通過RS485總線 與有線測溫模塊測溫點7連接，箱式變電站在線監(jiān)測終端1還通過Zigbee無線個域網(wǎng)與無線 測溫模塊測溫點8連接；間隔層內設置有箱式變電站在線監(jiān)測IED2,箱式變電站在線監(jiān)測 IED2通過RS485總線與箱式變電站在線監(jiān)測終端1連接;站控層內設置有站端監(jiān)測單元3,站 端監(jiān)測單元3通過光纖W太網(wǎng)與箱式變電站在線監(jiān)測IED2連接。
[0063] 箱式變電站在線監(jiān)測終端1內置有IEC61850協(xié)議，箱式變電站在線監(jiān)測IED2用于 實現(xiàn)對過程層的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理，并遵循IEC61850協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至站控層內的站端 監(jiān)測單元3。
[0064] 箱式變電站在線監(jiān)測終端1，如圖2所示，包括有微處理器4,微處理器4分別通過導 線與供電模塊6、溫度傳感器9連接，溫度傳感器9位于有線測溫模塊測溫點7處;微處理器4 通過SPI與無線射頻忍片5連接，無線射頻忍片5通過Zigbee無線個域網(wǎng)與無線測溫系統(tǒng)10 連接，無線測溫系統(tǒng)10位于無線測溫模塊測溫點8處;微處理器4還通過RS485總線與間隔層 內的箱式變電站在線監(jiān)測IED2連接。
[0065] 其中，溫度傳感器9用于測量有線測溫模塊測溫點7處高壓室、低壓室及變壓室的 溫度，有線測溫模塊測溫點7通過RS485總線與間隔層內的箱式變電站在線監(jiān)測IED2進行通 信。
[0066] 無線測溫系統(tǒng)10測量無線測溫模塊測溫點8處高壓開關柜、刀閩、電力電纜及母線 的溫度;無線測溫系統(tǒng)10采用分布式測量的方式。
[0067] 無線測溫系統(tǒng)10由多個無線測溫模塊組構成;每個無線測溫模塊組由六個無線測 溫模塊構成;每個無線測溫模塊內設置有STM32F030忍片和NRF2化01無線射頻忍片。
[0068] 每個無線測溫模塊組內的六個無線測溫模塊將采集數(shù)據(jù)通過小范圍的Zigbee無 線個域網(wǎng)傳送至無線射頻忍片5,再由無線射頻忍片5將數(shù)據(jù)輸送至微處理器4內，最后由微 處理器4通過RS485形式將數(shù)據(jù)傳送至站控層內的站端監(jiān)測單元3。
[0069] 溫度傳感器9通過RS485有線方式傳送高壓室、變壓室、低壓室處的溫度信號，借助 無線Zigbee無線個域網(wǎng)傳送箱式變電站刀閩、母線、電纜、開關觸頭運些布線困難處的溫度 信號。
[0070] 供電模塊6采用電池與互感取電聯(lián)合式供電單元，其結構如圖2所示，包括有與微 處理器4內電源連接的DC/DC轉換器18，DC/DC轉換器18分別連接電池充放電模塊19、降壓模 塊20,降壓模塊20分別與過壓過流監(jiān)測模塊21、整流濾波模塊22連接，整流濾波模塊22依次 連接前端沖擊保護模塊23、電流互感器24。
[0071] 在實際應用中，供電模塊6的供電方式為:在母線、變壓室、高壓室及低壓室空間較 大的地方采用電池供電，在高壓開關柜運樣比較狹小的地方，采用互感器取電，并通過整流 濾波、前端沖擊保護、過流過壓保護環(huán)節(jié)實現(xiàn)隔離供電；當其中一種供電方式不足時，通過 DC/DC轉換器18實現(xiàn)自動轉換。
[0072] 微處理器4內采用ST公司的STM32F030忍片。
[0073] 無線射頻忍片5采用NRF2化01無線射頻忍片。
[0074] 箱式變電站在線監(jiān)測IED2,如圖3所示，包括有通過SPI連接在一起的主CPU11和從 CPU12,即主CPU11和從CPU12之間通過SPI方式進行數(shù)據(jù)傳輸;主CPU11分別連接人機交互模 塊13、指示燈14、按鍵15、通信模塊16及服務器17,服務器17設置于遠程監(jiān)控中屯、內，其中， 指示燈14用于顯示電路的工作狀態(tài)，按鍵15用于就地控制電路的通斷，人機交互模塊13用 于各種參數(shù)設定W及事件記錄;從CPU12通過RS485總線與溫度傳感器9連接，從CPU12通過 Zigbee無線個域網(wǎng)與無線測溫系統(tǒng)10連接。
[0075] 主CPU11內采用S3C2440A忍片；在基于TCP/IP參考模型的基礎上嵌入IEC61850協(xié) 議，通過面向對象技術進行數(shù)據(jù)建模，實現(xiàn)了標準協(xié)議下的數(shù)據(jù)封裝，完成與端監(jiān)測單元3 的數(shù)據(jù)通信，提高了設備之間的通信互操作能力。
[0076] 從CPU12內采用STM32F407ZGT6忍片，借助其豐富的外設資源完成各監(jiān)測點溫度信 號的采集及數(shù)據(jù)處理。
[0077] 通信模塊16內設置有3G通信模塊、W太網(wǎng)通信模塊、RS485/RS232通信模塊，即采 用3G、W太網(wǎng)、RS485/RS232運些方式實現(xiàn)信息傳遞。
[007引運其中W太網(wǎng)通信模塊在基于TCP^P參考模型的基礎上嵌入了 IEC61850協(xié)議，通 過面向對象技術進行數(shù)據(jù)建模，實現(xiàn)了標準協(xié)議下的數(shù)據(jù)封裝，IEC61850協(xié)議建模包括有 邏輯設備W及邏輯節(jié)點的建模，具體如圖4所示。
[0079] 邏輯設備，包括有過程層在線監(jiān)測0MD_IED、間隔層綜合監(jiān)測單元CMU_I抓及站控 監(jiān)測單元SMU_IED;每個邏輯設備都定義了其LLN0和LP皿運兩個必不可少的邏輯節(jié)點，邏輯 節(jié)點化NO表示邏輯設備的公共數(shù)據(jù)，如:銘牌、設備運行狀態(tài)信息;LPHD代表擁有邏輯節(jié)點 的物理設備的公共數(shù)據(jù)，如:物理設備的銘牌、運行狀況等信息。邏輯設備LD1駐留在線監(jiān)測 0MD_I抓中，實現(xiàn)采樣功能，包括有化N0、TTMP、LP皿節(jié)點，TTMP表示溫度傳感器;邏輯設備 LD2在綜合監(jiān)測單元CMU_IED用于實現(xiàn)監(jiān)測功能，包括有LLMKLP皿、STMP、GGI0節(jié)點。STMP表 示溫度監(jiān)測，GGI0繼承調用輸入/輸出完成電路控制；邏輯設備LED3通過與遠方監(jiān)測接口 ITMI、操作員接口 I麗I、存檔IARC等邏輯節(jié)點實現(xiàn)與網(wǎng)省監(jiān)測中屯、的監(jiān)測及歷史數(shù)據(jù)的存 檔和查詢。
[0080] 利用本發(fā)明箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)進行箱式變電站載流故障預測的方法， 如圖5所示，具體按照W下步驟實施：
[0081 ] 步驟1、由設置于遠程監(jiān)控中屯、內設置的服務器17在IEC61850協(xié)議下讀取ICD配置 文件；
[0082] 待讀取完成之后，由箱式變電站在線監(jiān)測IED2內的主CPU11將數(shù)據(jù)采集命令送到 從CPU12,然后主CPU11等待SPI接收中斷到來；
[0083] 步驟2、待步驟1完成后，箱式變電站在線監(jiān)測IED2內的從CPU12接收到主CPU11發(fā) 送的數(shù)據(jù)采集命令，由從CPU12對接收到的數(shù)據(jù)采集命令進行解析，具體過程如下：
[0084] 若是開出量控制，為了保證開出量能正確輸出，要再次判斷開入量；
[0085] 若最終判斷開出量沒有正確輸出，則啟動重合閩或者直接發(fā)出報警信號，反之等 待下一次命令的到來：
[0086] 若是采集命令，待數(shù)據(jù)采集命令解析正確后，向箱式變電站在線監(jiān)測終端1發(fā)送數(shù) 據(jù)采集命令，并通過RS485方式接收箱式變電站在線監(jiān)測終端1的溫度數(shù)據(jù)；
[0087] 步驟3、待步驟2完成后，由從CPU12完成溫度信號數(shù)據(jù)預處理及溫度模型的建立， 并通過SPI方式將信息長傳至主CPU11;
[0088] 其中，由從CPU12完成溫度信號數(shù)據(jù)預處理及溫度模型的建立，具體方法如下：
[0089] 步驟a、采用W貝塔分布為核屯、的概率密度估計算法消除采集測量、傳輸、轉換各 個環(huán)節(jié)的奇異點數(shù)據(jù)；
[0090] 步驟b、經(jīng)步驟a后，采用橫向對比與縱向對比分析相結合的空間相關性分析法確 定出故障點；
[0091 ]步驟C、經(jīng)步驟b后，采用組合權重相似日法完成溫度快速上升的長期故障預測，觸 點熱傳學溫升模型與一階熱路模型相結合的方法完成溫度緩慢波動的即時故障預測；
[0092] 長期故障與即時故障通過Δ區(qū)分，Δ值取決于設備類型和負載特點，由實驗方法 取得；
[0093] 對于長期故障，將電力負荷分為基本負荷預測部分和隨機因素預測兩部分；
[0094] 對于基本負荷部分：
[00%]首先，求出待預測日的相似日（通過某種函數(shù)證明與預測日最有可能相關的若干 日），在相似日的選擇因素中主要考慮了日類型、氣象和日期差Ξ個因素；
[0096] 接著，根據(jù)賭權法將相似日賦予不同權重；
[0097] 最后，代入權重為常量、各整點時刻溫度為自變量的式子中，求出預測溫度。
[0098] 對于隨機因素部分:采用加權擬合直線方法進行預測，而該方法僅僅用于晚間六 點到九點運個時間段。
[0099] 對于即時故障：故障觸點看作集總熱容系統(tǒng)，即溫度僅僅實際時間的函數(shù)而與空 間位置坐標無關，由熱力學第一定律得物體內能增加量=物體導入凈熱流量+物體內熱源， 得：
[0100]
[0101] 式中，Q為整個邊界面?zhèn)魅胗|點的熱流量，Qv為內熱源產(chǎn)生的熱量，P為物體密度，C 為物體比熱容，V為物體體積；
[0102] 最終得到如下公式：
[0103]
[0104] 式中，to為故障觸點的初始溫度，tf為環(huán)境溫度，I為載流觸點處的電流，R為觸點電 阻，τ是時間常數(shù)，α為換熱系數(shù)，A為觸點表面積；
[0105] 運一算法中設及到故障觸點電流及換熱系數(shù)，但要實時獲取運些參數(shù)具有一定困 難，運是由于:故障觸點發(fā)出的熱量一部分被導體吸收，用于提高其內能；另外一部分通過 導體外表面散熱耗散到周圍空間。
[0106] 故障觸點溫度的傳導模型如圖6所示，其中，Ri為各層導線之間的傳導熱阻，。為各 層導線熱容。根據(jù)電熱類比理論，熱力學中的溫度差、熱阻、熱容與電路中的電壓、電阻、電 容一一對應。為了計算的簡單化，將熱路模型等效為一階熱路模型，由響應的初始狀態(tài)、時 間常數(shù)及最終狀態(tài)，通過與電路中一階電路全響應對應可得，任何時刻的響應量θχ*具體如 下：
[0107] 0xt =白（叫 +(白(〇+)-白（叫)
[010引式中，Θ (0+)為觸點熱源區(qū)初始溫度，Θ (cx0為觸點最終溫度。
[0109] 采用觸點熱傳學溫升模型W及一階熱路模型相結合的方法求取溫度，具體做法 為:上一采樣周期溫度集合中最后一個元素基于觸點熱傳學模型的參數(shù)數(shù)據(jù)作為熱路模型 的初始數(shù)據(jù)，不同周期依次循環(huán)。
[0110] 步驟4、待步驟3完成后，按照變電站國際統(tǒng)一標準協(xié)議IEC61850對主CPU11中的數(shù) 據(jù)進行數(shù)據(jù)建模，并借助光纖W太網(wǎng)將主CPU11內封裝好的數(shù)據(jù)發(fā)送給站端監(jiān)測單元3 (CAC)，完成對箱式變電站載流故障的預測；
[0111] IEC61850協(xié)議建模包括有邏輯設備W及邏輯節(jié)點的建模，具體如圖4所示，包括有 邏輯設備W及邏輯節(jié)點的建模，具體如下：
[0112] 所述邏輯設備主要包括過程層在線監(jiān)測0MD_IED、間隔層綜合監(jiān)測單元CMU_I抓及 站控監(jiān)測單元SMILIED。每個邏輯設備都定義了其化NO和LP皿運兩個必不可少的邏輯節(jié)點， 邏輯節(jié)點化NO表示邏輯設備的公共數(shù)據(jù)，如：銘牌、設備運行狀態(tài)信息;LPHD代表擁有邏輯 節(jié)點的物理設備的公共數(shù)據(jù)，如:物理設備的銘牌、運行狀況等信息；
[0113] 邏輯設備LD1駐留在線監(jiān)測0MD_I抓中，實現(xiàn)采樣功能，包括LLN0、TTMP、LPHD節(jié)點， TTMP表示溫度傳感器;邏輯設備LD2在綜合監(jiān)測單元CMU_I抓用于實現(xiàn)監(jiān)測功能，包括有 LLN0、LPHD、STMP、GG10節(jié)點；STMP表示溫度監(jiān)巧U，GG10繼承調用輸入/輸出完成電路控制;邏 輯設備LED3通過與遠方監(jiān)測接口 ITMI、操作員接口 MMI、存檔IARC等邏輯節(jié)點實現(xiàn)與網(wǎng)省 監(jiān)測中屯、的監(jiān)測及歷史數(shù)據(jù)的存檔和查詢。
[0114] 本發(fā)明箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)，能夠精確定位出電力設備隱患觸點，W便 用戶及時采取措施，防患與未然，整個系統(tǒng)實現(xiàn)了箱式變電站的自我識別、自我診斷W及自 我監(jiān)測的功能；整個系統(tǒng)在通信方式上采用RS485有線通信方式W及Zigbee無線個域網(wǎng)方 式，并在光纖W太網(wǎng)通信基礎上擴展了大功率WiFi通信功能，使得整個系統(tǒng)具有高覆蓋性 及傳輸速度快的特點；另外，連接的服務器17能將箱式變電站的所有信息實時存入主 CPU11，能對一段的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，并建立智能箱式變電站的信息數(shù)據(jù)庫。
[0115] 本發(fā)明利用箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)進行箱式變電站載流故障預測方法中： 在數(shù)據(jù)處理上采用了基于概率密度估計的算法完成奇異點數(shù)據(jù)的預處理（消除處理)并借 助空間相關分析法完成故障點位置的確定（即提取故障點數(shù)據(jù)）；采用組合權重相似日法實 現(xiàn)對溫度緩慢上升的長期故障預測;借助熱傳學與一階熱路模型建立溫升模型完成對溫度 快速上升的即時故障預測。
【主權項】
1. 箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)，其特征在于，包括有過程層、間隔層及站控層； 所述過程層內設置有箱式變電站在線監(jiān)測終端（1)，所述箱式變電站在線監(jiān)測終端（1) 通過RS485總線與有線測溫模塊測溫點（7)連接，所述箱式變電站在線監(jiān)測終端（1)還通過 ZigBee無線個域網(wǎng)與無線測溫模塊測溫點（8)連接;所述間隔層內設置有箱式變電站在線 監(jiān)測IED(2)，所述箱式變電站在線監(jiān)測IED(2)通過RS485總線與箱式變電站在線監(jiān)測終端 (1)連接;所述站控層內設置有站端監(jiān)測單元(3)，所述站端監(jiān)測單元(3)通過光纖以太網(wǎng)與 箱式變電站在線監(jiān)測IED(2)連接。2. 根據(jù)權利要求1所述的箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)，其特征在于，所述箱式變電站 在線監(jiān)測終端（1)，包括有微處理器(4)，所述微處理器(4)分別通過導線與供電模塊(6)、溫 度傳感器(9)連接，所述溫度傳感器（9)位于有線測溫模塊測溫點（7)處，所述溫度傳感器 (9)用于測量有線測溫模塊測溫點（7)處高壓室、低壓室及變壓室的溫度;所述微處理器(4) 通過SPI與無線射頻芯片（5)連接，所述無線射頻芯片（5)通過Zigbee無線個域網(wǎng)與無線測 溫系統(tǒng)（10)連接，所述無線測溫系統(tǒng)（10)位于無線測溫模塊測溫點(8)處，所述無線測溫系 統(tǒng)（10)測量無線測溫模塊測溫點（8)處高壓開關柜、刀閘、電力電纜及母線的溫度;所述微 處理器(4)還通過RS485總線與間隔層內的箱式變電站在線監(jiān)測IED(2)連接； 所述箱式變電站在線監(jiān)測IED(2)，包括有通過SPI連接在一起的主CPU(ll)和從CPU (12);所述主CPU(ll)分別連接人機交互模塊（13)、指示燈（14)、按鍵（15)、通信模塊（16)及 服務器（17);所述從CPU(12)通過RS485總線與溫度傳感器(9)連接，所述從CPU(12)還通過 Zigbee無線個域網(wǎng)與無線測溫系統(tǒng)（10)連接。3. 根據(jù)權利要求2所述的箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)，其特征在于，所述供電模塊 (6)采用電池與互感取電聯(lián)合式供電單元，其結構為:包括有與微處理器(4)內電源連接的 DC/DC轉換器（18)，所述DC/DC轉換器（18)分別連接電池充放電模塊（19)、降壓模塊(20);所 述降壓模塊(20)分別與過壓過流監(jiān)測模塊(21)、整流濾波模塊(22)連接;所述整流濾波模 塊(22)依次連接前端沖擊保護模塊(23)、電流互感器(24); 所述微處理器(4)內采用STM32R)30芯片； 所述無線射頻芯片(5)采用NRF24L01無線射頻芯片。4. 根據(jù)權利要求2所述的箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)，其特征在于，所述主CPU(ll) 內采用S3C2440A芯片； 所述從CHJ(12)內采用STM32F407ZGT6芯片。5. 根據(jù)權利要求2所述的箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)，其特征在于，所述通信模塊 (16)內設置有3G通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊及RS485/RS232通信模塊； 所述以太網(wǎng)通信模塊在基于TCP/IP參考模型的基礎上嵌入了IEC61850協(xié)議。6. 根據(jù)權利要求2所述的一種箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)，其特征在于，所述無線測 溫系統(tǒng)（10)由多個無線測溫模塊組構成;每個所述無線測溫模塊組由六個無線測溫模塊構 成;每個所述無線測溫模塊內設置有STM32R)30芯片和NRF24L01無線射頻芯片。7. 利用箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)對箱式變電站載流故障進行預測的方法，其特征 在于，該方法基于權利要求1中的箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)，具體按照以下步驟實施： 步驟1、由設置于遠程監(jiān)控中心內設置的服務器（17)在IEC61850協(xié)議下讀取I⑶配置文 件;待讀取完成之后，由箱式變電站在線監(jiān)測IED(2)內的主CPU(ll)將數(shù)據(jù)采集命令送到從 CPU(12)，然后主CPU(ll)等待SPI接收中斷到來； 步驟2、待步驟1完成后，箱式變電站在線監(jiān)測IED(2)內的從CPU(12)接收到主CPU(ll) 發(fā)送的數(shù)據(jù)采集命令，由從CPU( 12)對接收到的數(shù)據(jù)采集命令進行解析； 步驟3、待步驟2完成后，由從CPU(12)完成溫度信號數(shù)據(jù)預處理及溫度模型的建立，并 通過SPI方式將信息長傳至主CPU( 11); 步驟4、待步驟3完成后，按照變電站國際統(tǒng)一標準協(xié)議IEC61850對主CPU( 11)中的數(shù)據(jù) 進行數(shù)據(jù)建模，并借助光纖以太網(wǎng)將主CPU(ll)內封裝好的數(shù)據(jù)發(fā)送給站端監(jiān)測單元(3)， 完成對箱式變電站載流故障的預測。8. 根據(jù)權利要求7所述的利用箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)對箱式變電站載流故障進 行預測的方法，其特征在于，所述步驟2中CPU(12)對接收到的數(shù)據(jù)采集命令進行解析的方 法具體如下： 若是開出量控制，為了保證開出量能正確輸出，要再次判斷開入量； 若最終判斷開出量沒有正確輸出，則啟動重合閘或者直接發(fā)出報警信號，反之等待下 一次命令的到來： 若是采集命令，待數(shù)據(jù)采集命令解析正確后，向箱式變電站在線監(jiān)測終端（1)發(fā)送數(shù)據(jù) 采集命令，并通過RS485方式接收箱式變電站在線監(jiān)測終端(1)的溫度數(shù)據(jù)。9. 根據(jù)權利要求7所述的利用箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)對箱式變電站載流故障進 行預測的方法，其特征在于，所述由從CPU(12)完成溫度信號數(shù)據(jù)預處理及溫度模型的建 立，具體方法如下： 步驟a、采用以貝塔分布為核心的概率密度估計算法消除采集測量、傳輸、轉換各個環(huán) 節(jié)的奇異點數(shù)據(jù)； 步驟b、經(jīng)步驟a后，采用橫向對比與縱向對比分析相結合的空間相關性分析法確定出 故障點； 步驟c、經(jīng)步驟b后，采用組合權重相似日法完成溫度快速上升的長期故障預測，觸點熱 傳學溫升模型與一階熱路模型相結合的方法完成溫度緩慢波動的即時故障預測。10. 根據(jù)權利要求9所述的利用箱式變電站載流故障預測系統(tǒng)對箱式變電站載流故障 進行預測的方法，其特征在于，所述步驟c具體按照以下方法實施： 長期故障與即時故障通過A區(qū)分，△值取決于設備類型和負載特點，由實驗方法取得； 對于長期故障，將電力負荷分為基本負荷預測部分和隨機因素預測兩部分； 對于基本負荷部分： 首先，求出待預測日的相似日，通過某種函數(shù)證明與預測日最有可能相關的若干日，在 相似日的選擇因素中主要考慮了日類型、氣象和日期差三個因素； 接著，根據(jù)熵權法將相似日賦予不同權重； 最后，代入權重為常量、各整點時刻溫度為自變量的式子中，求出預測溫度； 對于隨機因素部分:采用加權擬合直線方法進行預測，而該方法僅僅用于晚間六點到 九點這個時間段； 對于即時故障：故障觸點看作集總熱容系統(tǒng)，即溫度僅僅實際時間的函數(shù)而與空間位 置坐標無關，由熱力學第一定律得物體內能增加量=物體導入凈熱流量+物體內熱源，得：式中，Q為整個邊界面?zhèn)魅胗|點的熱流量，Qv為內熱源產(chǎn)生的熱量，p為物體密度，c為物 體比熱容，V為物體體積； 最終得到如下公式：式中，to為故障觸點的初始溫度，tf為環(huán)境溫度，I為載流觸點處的電流，R為觸點電阻，τ 是時間常數(shù)，α為換熱系數(shù)，Α為觸點表面積； 將熱路模型等效為一階熱路模型，由響應的初始狀態(tài)、時間常數(shù)及最終狀態(tài)，通過與電 路中一階電路全響應對應可得，任何時刻的響應量0xt具體如下： θχ?= Θ (00 ) + (0 (0+)-9(00 ))e_t/T； 式中，Θ (〇+)為觸點熱源區(qū)初始溫度，Θ (0)為觸點最終溫度； 采用觸點熱傳學溫升模型以及一階熱路模型相結合的方法求取溫度，具體做法為：上 一采樣周期溫度集合中最后一個元素基于觸點熱傳學模型的參數(shù)數(shù)據(jù)作為熱路模型的初 始數(shù)據(jù)，不同周期依次循環(huán)。
【文檔編號】H02J13/00GK106059086SQ201610541122
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月11日
【發(fā)明人】黃新波, 陳麗, 王海東, 朱永燦, 吳孟魁
【申請人】西安工程大學